基于plc的智能交通灯控制系统设计毕业论文.docx

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基于plc的智能交通灯控制系统设计毕业论文

二○一一届学生毕业论文（设计）存档编号：

__________

烟台大学文经学院

毕业论文（设计）

论文题目智能交通灯设计

（英文）thedesignofintelligenttrafficlights

学院：

烟台大学文经学院

专业：

车辆工程

姓名：

张岳

学号：

2211

指导教师：

徐天骄

2015年05月日

摘要

PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。

因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。

同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。

关键字：

交通灯PLC通讯科学管理渐进式交通灯梯形图

Abstract

TheprogrammableprefaceinPLCcontrollerisakindofnewindustrycontrolsthedevice,itregardmicroprocessorasthefoundation,synthesizingthecalculatortechnique,automaticcontroltechniquetodevelopwiththecommunicationtechnique.Ithastheconstructionsimple,theplaitdistanceisconvenient,highetc.independableadvantage,alreadyextensiveusedfortheindustryprocesswiththeautomaticcontrolofthepositiontothecovariance,theprogrammablecontrollerisakindofequipmentsthatindustryautomatetoequiptheinsidetheapplicationatexpertthinks,theprogrammablecontrollerwillbecomethemainmeansthataftertimeindustrycontrolwiththeoneoftheimportantfoundationequipmentses,thePLC,robot,CAD/CAMwillbecomethreemajorofpillarthatindustrythePLChastothestrongcharacteristicinadaptabilityinenvironmentinusage,itsinnerpartsettlesatthesametimethemachineresourcesisabundantvery,cantocurrentwidespreadusageof"enterthetypegradually"thesignalbeaconproceedstheprecisioncontrols,specialtheoscularcontrolinamanybranchroadscanrealizesthatisappliedthePLCmoreandmorenowintransportationlightsystemthesametime,PLCstillhavethecommunicationinternetfunction,constitutethesameofthesignalbeaconontheroadathebureauareanetproceedstounifytoadjustamanagement,canshortenthevehiclegothroughwaitingtime,realizingscientificmanagement.

Keywords:

Thetransportationlight，PLC,Communication，scientific

management，enterthetypegradually

第一章绪论···························································1

1.1引言································································1

1.2智能交通灯国内外发展状况·········································1

1.3本课题的主要研究内容·············································2

第二章PLC的功能介绍··············································4

PLC的基本概念和基本结构·········································4

PLC的特点和应用领域··············································6

PLC的工作原理·····················································7

的性能指标和软件体统········································9

第三章基于PLC的智能交通灯控制系统设计·················12

PLC型号的选定以及可行性分析····································12

光电计数器与选型·················································12

光电计数器的铺设·················································13

设计思路···························································14

I/O地址的分配····················································17

交通灯各种情况的时序分析········································18

主程序的设计······················································19

运行与调试························································30

第四章总结与展望··················································31

参考文献································································32

致谢······································································33

第一章绪论

引言

目前，我国许多大中城市的交通压力都非常大。

部分交通路口的信号灯工作时间不合理，交通违章或肇事记录不确切。

所以，改善与提高现有的交通系统的工作效率，加强交通路口的信号灯控制和安全状况的监控是非常重要的。

交通灯控制系统的发展有着悠久的历史，伴随着人类工业文明的发展，汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。

各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便，但随之而来的是交通的压力越来越大，各个路口对于对于交通指挥系统的需求大量增加。

早在1868年，全世界第一台煤气是红绿两色照明灯由英国工程师纳伊特安装在了伦敦威斯特敏斯特街口，它可以控制车辆的通行，但是不久，这种交通灯便消身匿迹了，原因是由于一场爆炸事故。

盗了1914年左右，交通灯又重新出现了，美国的克利夫兰制造了一款由电力驱动的交通灯，它被安装在了纽约和芝加哥等地，这种交通灯的概念已经和现在大致相同。

1926年，自动化控制的交通灯得到利用，这为现代城市交通奠定了基础。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对交通灯的各种意义做出了明确的规定，绿灯行，绿灯车道的车辆可直行可左拐可右拐，如果前面有禁止标志的则除外。

并且左右拐弯的车辆必须让直行车辆和行人先行。

红灯停，红灯车道的车辆不准超过人行道。

黄灯等一等，黄灯车道的车辆必须减速，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

交通灯的使用大大缓解了交通压力，使得城市的拥堵显现得到了一定程度的缓解，使人们的出行现状得到了改善。

但是随着当今经济的飞速发展，汽车的拥有量不断上升，传统的交通灯系统已经越来越不能满足交通压力的需求。

在这样的背景下，本次论文设计的任务主要是设计一款能根据路面车流量的变化，进而调整交通灯读秒时间的交通灯系统，从而改善路面交通压力，同时也可以节约交通资源。

智能交通灯国内外发展状况

智能交通系统的发展，最早可以追溯到20世纪七八十年代的一系列车辆导流系统新技术的开发和应用。

1991年美国通过“地面交通效率法”（ISTEA），俗称“冰茶法案”，从此美国的IVHS研究开始进入宏观运作阶段。

1994年，美国将IVHS更名为ITS。

之后，之后，欧洲、日本等也相继加入了这一行列。

经过30年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。

美国是当今世界在ITS开发领域发展最快的国家，它从上个世纪80年代开始，先后开展了与智能汽车技术相关的PATH、IVI、VII和CVHAS等国家项目1995年3月美国交通部正是出版了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能交通系统的7大领域和29个用户服务功能目前7大领域包括：

出行和交通关系系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。

日本于上个世纪90年代初就制定了大力发展智能交通系统的国家爱战略，其中智能汽车作为只鞥交通的重要组成部分，也得到了深入研究。

日本政府主导的先进安全汽车ASV项目已于2000年取得初步实用化成果。

我国ITS的发展起步较晚，70年代以来，从国外引进、消化了一些项目，并进行了一些ITS或类ITS基础项目的研究和应用。

70年代中至80年代初，主要是进行城市交通信号控制试验研究，80年代中至90年代初，在一些大城市引进和消化城市交通信号控制系统，实现了一些（高速）公路监控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系统。

90年代中以来，开始研究部门ITS发展战略和GIS、GPS、EDI在交通中的应用等，重视交通信息网络的建设，公路和桥梁管理用基础数据库和道路交通量和气象数据采集等经过多年的努力，也已取得明显的进展。

本课题的主要研究内容

此次设计的主要内容是在传统的交通灯基础之上，通过PLC进行编程，设计出一款能够根据车流量的变化来智能化调整交通灯读秒时间的交通灯控制系统。

要实现预期目的的初期设想是在十字路口东西南北各个方向上安装光电计数器，以此来统计各个路口的车流量，再将数据输入计算机中央控制系统对数据进行分析，根据预先设定的参数，智能化的判断各个交通路口的拥堵情况，从而通过PLC控制系统来适当的调整红绿灯的读秒时间。

并且在此基础之上，若交通灯路口遇到特殊车辆或者紧急情况，该系统也能切换到人工控制模式，实现强通控制，从而保证路面交通的正常运行。

此系统不仅成本低，维护方便，而且能在最大程度上缓解交通压力，节约交通资源。

本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制与监控。

通过交通中心的主机根据具体城市各路口的需要控制各个十字路口的PLC，从而控制十字路口交通灯的变化，以及对各个路口的安全状况进行监控，监控机动车是否违章、是否肇事，并把记录的结果存储、上传和处理。

本设计的上位机采用PC机，通过安装在十字路口的监控设备以及移动电子监控设备，对各个十字路口的安全状况进行监控。

下位机采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机，配以扩展模块EM222。

设计中采用S7-200编程软件进行编程。

采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序。

实现对城市十字路口的合理控制与监控。

第二章PLC的功能介绍

PLC的基本概念和基本结构

2.1.1PLC的基本概念

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：

　　“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。

一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

”

　　以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：

　　“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”

　　总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

2.1.2PLC的基本结构

1.中央处理器（CPU）

CPU是PLC的核心部件，CPU模块在PLC中相当于大脑和心脏，是整个PLC控制系统的神经中枢。

它的主要功能如下：

⑴接受和储存用户程序和数据

⑵扫描现场设备的数据和状态，存入数据区

⑶检测和诊断电源，PLC内部电路工作状态和程序中的语法错误

⑷从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，去开启或关闭相关控制电路，完成相关的逻辑运算和算术运算。

⑸根据数据处理的结果，刷新相关标识位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。

PLC中采用的CPU一般有三大类：

通用处理器、单片机芯片和微处理器。

其中小中型PLC一般采用微处理器或单片机，而大型的PLC大多采用高速位片式处理器。

档次越高，PLC的位次也越多，运行的速度越快，功能也会更强大。

2.存储器

存储器一般分两种：

系统存储器和用户存储器。

系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。

用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

常用的存储器类型有CMOSRAM、EPROM、EEPROM.由于系统程序用来管理PLC系统，用户不能直接存储，因此PLC产品中所说的存储类型及其容量，是指用户程序存储器而言。

PLC中所配用的用户存储器的容量大小有较大差别，小型的在8K以下，大型的可以达到256K.

3.输入输出（I/O）模块

输入模块和输出模块简称I/O模块，他是联系外部设备和CPU模块的桥梁。

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。

PLC有多重I/O模块，常见的有数字I/O模块、模拟量I/O模块、快速响应模块，高速计数模块和PID控制模块等。

4.电源

PLC配有开关式稳压电源，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。

PLC使用AC220V电源或DC24V电源。

内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。

小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专门的外部电源部件，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

为防止PLC内部重要数据的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。

5.编程器

编程器用来生成用户程序，一般分为手持式编程器和图形编程器。

手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。

它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。

图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便、功能强。

现在，很多PLC都可以用计算机作为编程工具，在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表，并可以实现其转换。

最重要的是这种程序可以存盘或者打印，也可通过网络远程传送。

6.其他外部设备

PLC还包含有一些其他的外部设备，如合适磁带机、打印机、EPROM写入器等。

打印机

计算机

盒式磁带机

条码扫描仪

输出设备

输入设备

图2-1PLC的基本结构

PLC的特点和应用领域

2.2.1PLC的特点

1、高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

　　（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

　　（4）采用性能优良的开关电源。

　　（5）对采用的器件进行严格的筛选。

　　（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

　　（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

　　2、丰富的I/O接口模块

　　PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

　　另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

　　3、采用模块化结构

　　为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

　　4、编程简单易学

　　PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

　　5、安装简单，维修方便

　　PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

　　由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

2.2.2PLC的应用领域

1.开关量的逻辑控制。

取代传统的继电器，不仅可以控制单台设备，也可以控制多机群及自动化流水线，这是它应用的最广泛的领域。

2.模拟量与过程控制。

可以对温度、压力、流量、液位等模拟量进行控制，还可以用于位置控制、速度控制以及过程控制等。

3.运动控制。

PLC可以用于圆周运动或者直线运动的控制，驱动步进电机或者伺服电机，PLC广泛的应用于机械、机床、机器人等。

4.数据处理。

可以进行数学运算、数据传输、转换、排序、查表等一系列操作，也可以通过通信设备传输到别的设备。

5.通信联网。

通过双绞线或者同轴电缆等可实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的信息交换。

易于建立工厂的自动化办公网络。

PLC的工作原理

CPU不断的执行用户的程序和任务的语句，这一过程称为扫描。

一个扫描的周期包括输入、执行、处理、自诊断、输出等过程。

这一过程的运行时循环往复不断经行的。

它的过程如图2-2所示。

PLC由软件系统和硬件系统两部分组成。

再硬件系统满足要求，软件系统已经编制好的情况下，它会不断的执行软件系统以及预设好的指令代码。

扫描周期和用户程序不是一个概念，扫描周期包括用户程序。

即使用户程序不执行，扫描周期也在继续，只是这一过程不再包含用户程序、输入、输出这三个方面。

1.自诊断测试扫描。

PLC的自监视过程不仅可以保障设备还可以实时的反映故障。

时间监视器完成这种自监视。

当一个扫描周期开始时，PLC中的硬件计时器会自动的更新。

而用户可以根据自己的需要来修改WDT，它的数值在100到200，而且设计人员可以通过标志位来处理错误的结果。

2.与网络进行通信的扫描。

大型有网络的PLC有网络扫描过程，而小型的PLC则没有这种扫描过程。

PLC与PLC之间以及PLC与计算机之间可以通过网络宽带来进行通信。

3.用户程序扫描。

只要机器是正常运行的，那么，该扫描过程会移植存在。

用户可以通过软件来根据自己的需要来有目的的控制这一过程。

扫描过程的时间与用户程序的长短有着密切的关系。

4.读输入与写输出扫描。

同样，只要机器是正常运行的，这一过程贯穿于整个扫描过程。

并且该过程同样是可控的。

如果CPU要处理程序，它不从及既不从输入点读取，也不直接送到输出点。

而是通过计算机内部的输入映像寄存器和输出映像寄存器。

输入映像寄存器控制输入值，而输出映像寄存器则保存运算的结果。

在一个扫描过程中，输入点的状态会被所入到输入映像寄存器，而一样，输出映像寄存器的指会被所入到相应的输出点。

未来满足现场施工和运作的要求，PLC支持I/O接口可受用户控制的特点。

用户可以锁定或者开锁I/O接口，而且锁定后，I/O接口的扫描过程便不再运行。

这一过程的好处是，可以有效的节约I/O端口的扫描时间，提高效率。

在读输入阶段，CPU对各个输